Emissions to methanol : a feasibility and environmental assessment of acid gases utilization

Global warming is a serious problem that must be rapidly addressed to save planet Earth. A possible solution regards the complete revamping of the chemical industry, which is among the most responsible sources of pollution. The concepts of circular economy and waste-to-product are becoming more and more spread. In the light of this approach, this thesis work proposes the feasibility of a plant to transform typical refinery waste gases into valuable products. More specifically, through the Sulfidric Acid Catalytic Splitting (SACS™) technology, the toxic H2S gas can be converted into hydrogen and sulfur with a reaction that takes place in a portion of a traditional reforming furnace. The syngas produced with steam reforming is routed to methanol production, while hydrogen can be sold or utilized in other sections of the plant. To reduce the CO2 footprint of the plant, another solution is proposed, which includes the direct hydrogenation of the CO2 captured from the furnace, exploiting the hydrogen coming from SACS™, to produce further methanol. The work aims to demonstrate the technical feasibility of this plant, through a conceptual design with the aid of the Aspen HYSYS simulator. The engineering study is then accompanied by a preliminary economic analysis and eventually a Life Cycle Assessment to estimate the environmental performances of the novel process, performed on Simapro. Different scenarios have been evaluated throughout this work, and in particular, the two alternatives of a grass-roots plant or a revamping of an existing methanol facility, where H2S is treated with the Claus process, are considered. Previous studies already introduced the possibility of exploiting H2S as a clean and sustainable hydrogen synthesis route, but none of them has demonstrated a technology profitable and applicable at the industrial scale. The outcomes of this work, both economic and environmental, are encouraging at this stage of design. More detailed results are foreseen in the near future, especially after experimental data will be gathered thanks to a campaign that is expected to take place soon inside the SuPER team Lab.

Il riscaldamento globale è un problema serio che deve essere risolto immediatamente per salvare il pianeta Terra. Una delle possibili soluzioni riguarda il completo rinnovamento dell’industria chimica, tra le maggiori fonti responsabili dell’inquinamento atmosferico. I concetti di economia circolare e di conversione degli scarti in prodotti con alto valore aggiunto si stanno espandendo rapidamente. Nello spirito di questa tipologia di approccio, questo lavoro di tesi propone la fattibilità di un impianto in grado di trasformare gas di scarto tipici della raffineria in prodotti pregiati. Andando nello specifico, grazie alla tecnologia Sulfidric Acid Catalytic Splitting (SACS™), il gas tossico H2S può essere convertito in idrogeno e zolfo tramite una reazione che avviene in una porzione di una fornace tradizionale per il reforming. Il gas di sintesi prodotto attraverso il reforming con vapore è destinato alla produzione di metanolo, mentre l’idrogeno può essere venduto o utilizzato in altre sezioni dell’impianto. Nell’ottica di ridurre l’impronta di CO2 dell’impianto, un’altra possibile soluzione è presentata. Questa include l’idrogenazione diretta della CO2 catturata dalla fornace, sfruttando l’idrogeno proveniente dal SACS™, per produrre ulteriore metanolo. Lo scopo di questo lavoro consiste nel dimostrare la fattibilità tecnica di questo impianto, mediante il design concettuale dello stesso sul simulatore Aspen HYSYS. Lo studio ingegneristico è poi corredato da un’analisi economica preliminare ed infine da un Life Cycle Assessment, realizzato con il software SimaPro, atto a stimare gli impatti ambientali del processo. Molteplici scenari sono stati valutati lungo lo sviluppo del lavoro, ed in particolare le due alternative di un impianto costruito ex-novo oppure di un revamping di un impianto di produzione di metanolo esistente, in cui l’H2S viene trattato col processo Claus, sono state considerate. Studi precedenti hanno introdotto la possibilità di sfruttare l’H2S come una via di sintesi di idrogeno pulita e sostenibile, ma nessuno di questi ha mostrato una tecnologia che fosse redditizia ed applicabile su larga scala. I risultati di questo lavoro, sia economici che ambientali, sono incoraggianti a questo punto del design. Risultati più dettagliati sono previsti nel futuro prossimo, specialmente dopo la realizzazione di una campagna sperimentale attesa nei prossimi mesi all’interno dei laboratori del gruppo di ricerca SuPER.